JP2014085189A - 測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガタの発生を防止し得、高密度の三次元測定を行うことができる測定装置を提供する。
【解決手段】反射鏡８３，８３の鏡面は、レーザ光センサ９にて走査されたレーザ光をそれぞれ反射した各光路が、第１回転軸の中心軸に直交する第１光路に対して適宜の角度を有する第ｍ光路から前記第１光路まで漸次異なる角度になるように、その傾斜角度を長手方向へ亘って滑らかに傾斜させてある。レーザ光センサ９から走査されたレーザ光は反射鏡８３，８３によって、中心軸に直交する方向から中心軸の軸長方向へ漸次立ち上げられるため、三次元空間を高密度に走査できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象物へ投光して測定を行う測定装置に関する。

平坦面上を走行する移動ロボットにあっては、移動空間内に存在する物体までの距離を随時測定し、測定結果が得られる都度、その測定結果に基づいて自身の走行を制御するようになしてある。物体までの距離を測定する測定装置としては、迅速に測定時間が可能であり、また測定精度が高いことが必要であるが、移動ロボットに適用するためには更に、走査できる範囲が広いのに加え、装置が小型であることが重要である。

そのような測定装置として、レーザ光を二次元で走査させる測定装置が開発されているが、二次元平面から得られる測定結果だけでは、移動ロボットが三次元の物体に十分に対応することができなかった。

そのため、後記する特許文献１には次のような測定装置が開示されている。
すなわち、投光部から出力された測定光を一軸回りに回転走査させ、対象物からの反射光に基づいて対象部までの距離を算出する走査式二次元測距装置と、この走査式二次元測距装置を前記投光部の回転走査させる一軸と斜交する他軸周りに回転駆動させる回転機構とを備え、回転機構にて走査式二次元測距装置を回転させることによって、前記一軸のロール角度及びピッチ角度を変化させるようになしてある。走査式二次元測距装置は、前記一軸周りに回転走査することによって二次元の測定を行いつつ、回転機構によって前記他軸の軸長方向へ揺動されるため、三次元の測定を行うことができる。

また、後記する特許文献２には、基準平面に対して傾斜配置された偏向ミラーと、該変更ミラーを前記基準面に対して鉛直な軸周りに回転する走査機構と、前記鉛直な軸周りに配置してあり、前記偏向ミラーに対して互いに異なる角度で投光するようになされた複数の投光部と、対象物からの反射光を集光する集光光学系と、集光された反射光を検出する受光部とを備えており、前記走査機構によって偏向ミラーを回転させつつ、異なるタイミングで各投光部から投光させるようになした測定装置が開示されている。各投光部から出力された測定光は前記鉛直な軸の軸長方向の異なる位置へ投光されるとともに、各投光部からの測定光は回転する偏向ミラーによって３６０°の方向へ放射状に偏向されるため、その全周方向に三次元の測定を行うことができる。

特開２００８−１３４１６３号公報 特開２００９−２３６７７４号公報

しかしながら、前者の測定装置にあっては、走査式二次元測距装置を回転機構によって、前記投光部の回転走査させる一軸と斜交する他軸周りに回転させるため、ガタが発生し易く、大きな測定誤差を招来する虞があった。

一方、後者の測定装置にあっては、各投光部の角度が固定されているため、三次元の測定密度が低い。そのため、投光部の個数を増やすことが考えられるが、各投光部の角度を相互に変える必要があるので取付け作業が煩雑であり、組み立てコストが嵩む。また、基準平面に対して傾斜配置された偏向ミラーを回転させるため、前同様ガタが発生し易いという問題もあった。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであって、ガタの発生を防止し得、高密度の三次元測定を行うことができる測定装置を提供する。

（１）本発明に係る測定装置は、所定の回転軸廻りに測定光を走査させ、対象物からの反射光が入射されるセンサと、該センサからの測定光を反射する反射鏡とを備え、該反射鏡で反射された測定光が対象物で反射されてセンサに入射された結果に基づいて測定を行うようになしてある場合、１又は複数の前記反射鏡がセンサの周囲に配設してあり、該反射鏡の鏡面は走査方向の異なる位置では互いに、回転軸廻りに走査される複数の測定光の光路で構成される平面に平行な第１平面における前記測定光の反射方向、及び前記第１平面に直交する他の平面に平行な第２平面における前記測定光の反射方向が異なるように傾かせてあることを特徴とする。

本発明の測定装置にあっては、所定の回転軸廻りに測定光を走査させ、対象物からの反射光が入射されるセンサと、該センサからの測定光を反射する反射鏡とを備え、該反射鏡で反射された測定光が対象物で反射されてセンサに入射された結果に基づいて測定を行うようになしてある。

このセンサの周囲には１又は複数の前記反射鏡が配設してある。そして、反射鏡の鏡面は、走査方向の異なる位置では互いに、回転軸廻りに走査される複数の測定光の光路で構成される平面に平行な第１平面における前記測定光の反射方向、及び前記第１平面に直交する他の平面に平行な第２平面における測定光の反射方向がともに異なるように傾かせてある。つまり、反射鏡の鏡面は、測定光の走査方向へ所定の曲率を有する円弧状をなすとともに、第２平面に対する傾きが測定光の走査方向へ異ならせてある。

これによって、反射鏡上を走査された測定光は、該反射鏡の鏡面によって連続的に螺旋状に反射される。従って、高密度の三次元測定を行うことができる。一方、反射鏡を回転駆動せずに固定してある場合、ガタは発生しない。

（２）本発明に係る測定装置は、前記鏡面は前記第１平面において、走査された測定光をそれぞれ反射した各反射光の光路が、前記回転軸を中心として設定した基準円の接線上に位置するように傾かせてあることを特徴とする。

本発明の測定装置にあっては、反射鏡の鏡面は、前述した第１平面において、走査された測定光をそれぞれ反射した各反射光の光路が、前記回転軸を中心として設定した基準円の接線上に位置するように傾かせてある。これによって、反射鏡の鏡面で反射された各反射光はセンサに干渉されることなくセンサの外方へ放射状に出射されるため、高密度の三次元測定を維持することができる。

（３）本発明に係る測定装置は、前記鏡面の傾きは次の両式に基づいて定めてあることを特徴とする。
α_ｍ（ｋ）＝４５°＋（θ_ｍｃ＋θ_ｍ（ｋ））／２
γ_ｍ（ｋ）＝θ_ｍ（ｋ）／ｎ
但し、α_ｍ（ｋ）：ｋ番目の反射点における鏡面のＸ_ｍ軸に対する傾き
γ_ｍ（ｋ）：ｋ番目の反射点における鏡面のＺ_ｍ軸に対する傾き
θ_ｍｃ ：各反射光の光路の基準円に対する接点のＺ_ｍ軸回りのＸ_ｍ軸からの角度
θ_ｍ（ｋ）：ｋ番目の測定光のＺ_ｍ軸回りのＸ_ｍ軸からの角度
ｎ ：適宜の数

本発明の測定装置にあっては、反射鏡の鏡面の傾きは、上記両式に基づいて設計してあるため、反射鏡上を走査された測定光は、該反射鏡の鏡面によって連続的に螺旋状に反射されるとともに、反射鏡の鏡面で反射された各反射光はセンサに干渉されることなくセンサの外方へ放射状に出射される。従って、前同様、高密度の三次元測定を行うことができる。

（４）本発明に係る測定装置は、前記鏡面は滑らかに傾かせてあることを特徴とする。

本発明の測定装置にあっては、反射鏡の鏡面が滑らかに傾かせてある。このような平滑化処理は、例えば、当該鏡面の走査方向の各位置においてそれぞれ、当該位置を通り、鏡面に対して垂直な線分であり、前述した第１平面から互いに同じ高さ領域に配する反射線を設定し、相隣る反射線の間を滑らかに繋げることによって実現することができる。測定光が対象物で反射してセンサに入射される場合、センサから出射された光の直径よりセンサに入射される光の直径が広がることがあるが、反射鏡の鏡面が滑らかに傾かせてある場合、全ての光がセンサに入射させることができるため、測定感度の低下を防止することができる。

（５）本発明に係る測定装置は、更に、前記回転軸と同心円上で回転する回転板と、該回転板を回転駆動させるモータとを備え、この回転板に前記反射鏡が取り付けてあることを特徴とする。

本発明の測定装置にあっては、測定光を走査させる回転軸と同心円上で回転する回転板と、この回転板を回転駆動させるモータとを備え、前記回転板に反射鏡が取り付けてある。そして、モータにて回転板を回転させつつセンサから測定光を前記回転軸廻りに走査させる。このとき、測定光の走査速度と回転板の回転速度とは互いに異ならせておくとよい。

これによって、回転軸廻りに走査される測定光は、回転軸廻りに走査される都度、その回転方向の異なる位置で反射鏡に対向するため、更に高密度の三次元測定を行うことができる。

（６）本発明に係る測定装置は、前記回転板に複数の反射鏡が回転対称になるように取り付けてあることを特徴とする。

本発明の測定装置にあっては、回転板に複数の反射鏡が回転対称になるように取り付けてあり、これによって回転板のバランスが図られる。従って、回転時に回転板にガタが生じることが防止される。

本発明に係る測定装置の構成例を示す模式的斜視図である。 図１に示した回転板、反射鏡及びレーザ光センサの模式的平面図である。 図１に示した回転板、反射鏡及びレーザ光センサの模式的側面図である。 反射鏡の鏡面の設計方法を説明する説明図である。 レーザ光センサの固定座標系のＸ軸、及び回転板及び反射鏡の回転座標系のＸ_ｍ軸における各パラメータを説明する説明図である。 １回の走査で測定された対象物上の各反射点の位置を示したグラフである。

図１は本発明に係る測定装置の構成例を示す模式的斜視図であり、図中、２は基台である。基台２上には複数の支柱２１，２１，…が適宜の位置に立設してあり、これら支柱２１，２１，…によって平板状の台座部材３が基台２から適宜距離を隔てて基台２と平行に支持されている。

台座部材３上の一側側には該台座部材３を貫通する第１回転軸８１が、台座部材３に固定された軸受（図示せず）によって回転自在に設けてある。第１回転軸８１の基台２側の端部にはプーリ８２が外嵌してあり、第１回転軸８１のこれとは反対側の端部には回転板８が台座部材３との間に適宜の間隙を隔てて外嵌固着してある。台座部材３の他側側にはモータ４が、該モータ４の駆動軸に連結された第２回転軸４１が台座部材３を貫通する様態で取り付けてある。モータ４の回転駆動力は、第２回転軸４１に外嵌させたプーリ４２と前記第１回転軸８１の端部に外嵌させたプーリ８２との間に掛け回した環状のベルト６を介して第１回転軸８１に伝えられるようになっており、これによって第１回転軸８１に固定された回転板８が回転駆動される。また、回転板８の近傍には該回転板８の回転速度を検出するエンコーダ５が配設してあり、エンコーダ５の検出結果は後述する制御部１に与えられるようになっている。

回転板８上には、適宜の高さ寸法を有する一対の円弧状の反射鏡８３，８３が回転板８の周方向へ１８０°位置を異ならせて配置してあり、両反射鏡８３，８３は回転板８に立設した固定脚８４，８４、８４，８４によって回転板８から適宜の距離を隔てた位置に固定されている。

また、回転板８の第１回転軸８１上には、レーザ光を前記第１回転軸８１の中心軸回りに所定の走査周期で放射状に出射して対象物からの反射光を受けるレーザ光センサ９が、前記中心軸が回転板８の回転軸と同軸上になるように支持アーム３２の一端部に垂下されており、両支持アーム３２の他端部は台座部材３上に立設した支持部材３１，３１にそれぞれ固定してある。これによって、レーザ光センサ９からレーザ光が、前記第１回転軸８１の中心軸と直交する方向へ出射される。なお、レーザ光センサ９としては、例えば側域センサＵＴＭ−３０ＬＸ（北陽電機株式会社製）を用いることができるが、これに限られず、更に小型化したものであってもよい。なお、レーザ光センサ９として側域センサＵＴＭ−３０ＬＸを用いた場合、レーザ光の走査範囲が２７０°であるので、レーザ光が走査されない範囲に前述した支持部材３１，３１が位置するようにレーザ光センサ９の取付け姿勢を調整しておく。

前述した反射鏡８３，８３はレーザ光センサ９から出射されるレーザ光の光路上に配置してある。反射鏡８３，８３の鏡面は、該鏡面の中央を通り第１回転軸８１に直交する軸と平行をなす軸方向において捻じれた形状になしてあり、レーザ光センサ９から第１回転軸８１の中心軸回りに走査されるレーザ光は、反射鏡８３，８３に対向する領域では、両反射鏡８３，８３によって、前記中心軸と斜交する方向から該中心軸と直交する方向へ、又は中心軸と直交する方向から該中心軸と斜交する方向へ、軸長方向に対する反射角度が漸次異なるように反射されて対象物へ出射され、対象物からの反射光は対応する反射鏡８３，８３によって反射されてレーザ光センサ９に入射されるようになっている。

一方、レーザ光センサ９から出射されたレーザ光は、反射鏡８３，８３に対向しない領域では、前記第１回転軸８１の中心軸と直交する方向へ出射され、対象物からの反射光がレーザ光センサ９に入射される。

更に、レーザ光センサ９の外側、又はレーザ光センサ９内（図１にあってはレーザ光センサ９の外側）には制御部１が設けてあり、該制御部１によって、レーザ光センサ９及び前述したモータ４の駆動制御、並びにレーザ光センサ９の検出結果に基づく対象物の測定が行われるようになっている。なお、これら制御部１、レーザ光センサ９及びモータ４には外部から給電されるようになっている。

このような測定装置にあっては、モータ４によって回転板８及び該回転板８に固定された反射鏡８３，８３が所定方向へ回転駆動されると、エンコーダ５が回転板８の回転状態を検出してその検出結果が制御部１に与えられる。制御部１にはレーザ光センサ９によるレーザ光の走査速度の値が予め与えられており、制御部１はエンコーダ５から与えられた検出結果に基づいて、回転板８の回転周期が前記レーザ光の走査周期と異なる所定値になるようにモータ４の出力を調整する。

回転板８の回転速度が所定値になると、制御部１はレーザ光センサ９を作動させてレーザ光を前記第１回転軸８１の中心軸回りに、前記回転板８の回転方向と同じ方向へ走査させる。レーザ光センサ９から走査されたレーザ光は、反射鏡８３，８３に対向する領域では、前述したように反射されて対象物へ出射され、対象物からの反射光が対応する反射鏡８３，８３によって反射されてレーザ光センサ９に入射される。また、反射鏡８３，８３に対向しない領域では、前記第１回転軸８１の中心軸と直交する方向へ出射され、対象物からの反射光がレーザ光センサ９に入射される。レーザ光センサ９内にはレーザ光が対象物から反射されたレーザ光が入射される受光部が設けてあり、受光部は入射されたレーザ光を光電変換して入射信号を生成するようになっている。

このレーザ光センサ９はレーザ光をパルス状に出射するようになしてあり、レーザ光の出射タイミングと対象物からの反射光によって前記受光部が入射信号を生成したタイミングとの差分を前記制御部１に与える。制御部１は与えられた差分に基づいて後述する如く対象物による反射点の位置を算出する。

図２及び図３は、図１に示した回転板８、反射鏡８３，８３及びレーザ光センサ９の模式的平面図及び模式的側面図である。なお、両図中、図１に対応する部分には同じ番号が付してある。

図２及び図３に示したように、回転板８から適宜の間隙を隔ててレーザ光センサ９が垂下してあり、レーザ光センサ９がレーザ光を走査する中心Ｏは回転板８に固定した第１回転軸８１の中心軸Ｚ上に位置させてある。

両反射鏡８３，８３は前記中心軸Ｚ回りに対称になるように配設してある。これによって、回転板８において当該回転板８に印加される反射鏡８３，８３の質量がバランスされるので、回転板８が回転駆動された際のガタの発生が防止される。

前述したようにレーザ光センサ９はレーザ光を前記中心軸Ｚと直交する方向へ出射するようになしてあり、該中心軸Ｚ回りに走査されるレーザ光は反射鏡８３，８３に対向する領域では当該反射鏡８３，８３によって所定方向へ反射される。このとき、反射鏡８３，８３は中心Ｏの同心円に対して斜交するように配置してあり、反射鏡８３，８３の鏡面は、平面視ではレーザ光センサ９にて走査されたレーザ光をそれぞれ反射した各光路Ｌ，Ｌ，…がそれぞれ図２に示したように、中心Ｏを中心とする基準円Ｃの接線上に位置するようにしてある。

また、反射鏡８３，８３の鏡面は、側面視ではレーザ光センサ９にて走査されたレーザ光をそれぞれ反射した各光路Ｌ，Ｌ，…が、図３に示したように、前記中心軸Ｚに直交する第１光路Ｌ_１に対して適宜の角度を有する第ｍ光路Ｌ_ｍから前記第１光路Ｌ_１まで漸次異なる角度になるように、その傾斜角度を長手方向へ亘って滑らかに傾斜させてある。なお、前述した第１光路Ｌ_１と第ｍ光路Ｌ_ｍとのなす角は０°を超え９０°未満の適宜の角度に設定することができるが、３０°以下の適宜の角度に設定すると好適である。

このようにして反射鏡８３，８３で反射されたレーザ光は適宜距離内に対象物が存在する場合は当該対象物にて反射され、再び反射鏡８３，８３にて反射されてレーザ光センサ９に入射される。すなわち、対象物にて反射されたレーザ光は前記光路Ｌ_１〜Ｌ_ｍ上を方向を逆にしてレーザ光センサ９に入射される。

ここで、反射鏡８３，８３の長手方向の寸法は、一の反射鏡８３の長手方向の両縁部における反射光がそれぞれ、当該反射鏡８３及び他の反射鏡８３に入射されない範囲に定めておく。また、反射鏡８３，８３の高さ方向の寸法は、対象物にて反射された光を全て受けることができる寸法であって、可及的に小さい寸法に定めておく。

このように、レーザ光センサ９から走査されたレーザ光は反射鏡８３，８３によって、前記中心軸Ｚに直交する方向から中心軸Ｚの軸長方向へ漸次立ち上げられるため、レーザ光は三次元空間を走査されることになる。このとき、前述したように反射鏡８３，８３の鏡面はその傾斜角度を長手方向へ亘って滑らかに変更させてあるので、レーザ光センサ９から走査されたレーザ光は互いに異なる角度で連続的に立ち上げられ、従って三次元空間を走査されるレーザ光の密度が高い。

次に、図１に示した反射鏡８３の鏡面の設計方法について説明する。
図４は反射鏡の鏡面の設計方法を説明する説明図であり、（ａ）はレーザ光センサからレーザ光が出射されるＸ_ｍ−Ｙ_ｍ平面を、（ｂ）は反射鏡によってレーザ光が立ち上げられるＸ_ｍ−Ｚ_ｍ平面を示している。なお、図４中、矢印はレーザ光の光路を、黒点はレーザ光の鏡面における反射点をそれぞれ示している。

いま、レーザ光の広がりは考慮せず、レーザ光の反射点を点とし、レーザ光の光路を線とする。そして、図４に示したように、Ｘ_ｍ−Ｙ_ｍ平面において、周方向へ走査されるレーザ光の鏡面上での反射点について、周方向へ走査されるレーザ光の回転中心Ｏ_ｍからの距離をｒ_ｍとし、Ｚ_ｍ軸回りにＸ_ｍ軸からの角度をθ_ｍとし、反射点の座標を（ｘ_ｍ，ｙ_ｍ）とする。また、反射点における鏡面のＸ_ｍ軸に対する傾きをα_ｍとし、レーザ光のＸ_ｍ−Ｙ_ｍ平面での反射角度をβ_ｍとし、更に鏡面のＺ_ｍ軸に対する傾きをγ_ｍとし、レーザ光のＸ_ｍ−Ｚ_ｍ平面での反射角度をδ_ｍとする。

レーザ光をレーザ光センサ及び反射鏡の外方へ放射状に進行させるために、前述したようにＸ_ｍ−Ｙ_ｍ平面においてレーザ光の回転中心Ｏ_ｍから半径ｒ_ｍｃの基準円Ｃを設定し、反射鏡によって反射されたレーザ光の光路が基準円Ｃの接線になるようにする。このとき、レーザ光の光路が基準円Ｃに接する接点の座標を（ｘ_ｍｃ，ｙ_ｍｃ）とし、該座標（ｘ_ｍｃ，ｙ_ｍｃ）とレーザ光の回転中心Ｏ_ｍとを結ぶ線分と、Ｘ_ｍ軸とのなす角の角度をθ_ｍｃとすると、前記接点の座標は次の（１）式及び（２）式によって表すことができる。
ｘ_ｍｃ＝ｒ_ｍｃｃｏｓθ_ｍｃ …（１）
ｙ_ｍｃ＝ｒ_ｍｃｓｉｎθ_ｍｃ …（２）

ここで、鏡面のＸ_ｍ軸と重なる縁部を１番目の反射点とし、θ_ｍｃの方向へｋ−１番目の反射点の座標（ｘ_{ｍ（ｋ−１）}，ｙ_{ｍ（ｋ−１）}）は、その距離ｒ_{ｍ（ｋ−１）}及び方向θ_{ｍ（ｋ−１）}を用いて次の（３）式及び（４）式によって表すことができる。
ｘ_{ｍ（ｋ−１）}＝ｒ_{ｍ（ｋ−１）}ｃｏｓθ_{ｍ（ｋ−１）} …（３）
ｙ_{ｍ（ｋ−１）}＝ｒ_{ｍ（ｋ−１）}ｓｉｎθ_{ｍ（ｋ−１）} …（４）

同様に、ｋ番目の反射点の座標（ｘ_ｍ（ｋ），ｙ_ｍ（ｋ））は、その距離ｒ_ｍ（ｋ）及び方向θ_ｍ（ｋ）を用いて次の（５）式及び（６）式によって表すことができる。
ｘ_ｍ（ｋ）＝ｒ_ｍ（ｋ）ｃｏｓθ_ｍ（ｋ） …（５）
ｙ_ｍ（ｋ）＝ｒ_ｍ（ｋ）ｓｉｎθ_ｍ（ｋ） …（６）

反射点の座標（ｘ_ｍ（ｋ），ｙ_ｍ（ｋ））と反射点の座標（ｘ_{ｍ（ｋ−１）}，ｙ_{ｍ（ｋ−１）}）との間の距離をｗ_{ｍ（ｋ−１）}とし、ｋ−１番目の反射点における鏡面のＸ_ｍ軸に対する傾きをα_{ｍ（ｋ−１）}とすると、反射点の座標（ｘ_ｍ（ｋ），ｙ_ｍ（ｋ））は次の（７）式及び（８）式によって表すことができる。
ｘ_ｍ（ｋ）＝ｘ_{ｍ（ｋ−１）}＋ｗ_{ｍ（ｋ−１）}ｃｏｓα_{ｍ（ｋ−１）}…（７）
ｙ_ｍ（ｋ）＝ｙ_{ｍ（ｋ−１）}＋ｗ_{ｍ（ｋ−１）}ｓｉｎα_{ｍ（ｋ−１）}…（８）

前述した（３）式から（８）式を用いてｒ_ｍ（ｋ）を求めると次の（９）式が得られる。

ここで、θ_ｍ（ｋ）の値は、レーザ光センサから放射状に出射されるレーザ光の本数をｎとすると、次の（１０）式で表すことができる。
θ_ｍ（ｋ）＝（３６０°／ｎ）ｋ …（１０）

鏡面によって反射されたレーザ光の光路が基準円Ｃに接することから、次の（１１）式の関係が成立する。

前記（１）式、（２）式、（５）式、（６）式及び（１１）式からθ_ｍｃを求めると次の（１２）式が導かれる。
θ_ｍｃ＝ｃｏｓ^−１（ｒ_ｍｃ／ｒ_ｍ（ｋ））＋θ_ｍ（ｋ） …（１２）

このθ_ｍｃから、ｋ番目の反射点における鏡面のＸ_ｍ軸に対する傾きα_ｍ（ｋ）、及びｋ番目の反射点におけるレーザ光のＸ_ｍ−Ｙ_ｍ平面での反射角度β_ｍ（ｋ）を求めると次の（１３）式及び（１４）式で表すことができる。
α_ｍ（ｋ）＝４５°＋（θ_ｍｃ＋θ_ｍ（ｋ））／２ …（１３）
β_ｍ（ｋ）＝９０°−θ_ｍｃ＋θ_ｍ（ｋ） …（１４）

また、ｋ番目の反射点における鏡面のＺ_ｍ軸に対する傾きγ_ｍ（ｋ）、及びｋ番目の反射点におけるレーザ光のＸ_ｍ−Ｚ_ｍ平面での反射角度δ_ｍ（ｋ）は、例えば反射点のＸ_ｍ軸からの角度θ_ｍ（ｋ）の１／４に比例して前記傾きγ_ｍ（ｋ）を変化させるとすると、次の（１５）式及び（１６）式で表すことができる。
γ_ｍ（ｋ）＝θ_ｍ（ｋ）／４ …（１５）
δ_ｍ（ｋ）＝θ_ｍ（ｋ）／２ …（１６）

かかる計算を１番目からｋ番目まで順次行って、各反射点における鏡面のＸ_ｍ軸に対する傾きα_ｍ、及び各反射点における鏡面のＺ_ｍ軸に対する傾きγ_ｍをそれぞれ求める。

次に、各反射点においてそれぞれ、当該反射点を通り、鏡面に対して垂直な線分であり、高さｈ_ｍを有しており、Ｘ_ｍ−Ｙ_ｍ平面から互いに同じ高さ領域に配する反射線を設定し、相隣る反射線の間を滑らかに繋げることによって、所要な曲面の鏡面を生成する。

更に、実機においては次の条件を鏡面の設計に加味する。
すなわち、基準円Ｃの半径ｒ_ｍｃの値は、反射鏡により反射されたレーザ光がレーザ光センサと反射鏡との間を通り、かつ、対象物によって反射されたレーザ光がレーザ光センサに入射し得るように設定する。具体的には、反射鏡の鏡面であってＸ_ｍ軸と重なる縁部における反射点を１番目とし、この反射点の距離をｒ_ｍ（１）とし、その角度をθ_ｍ（１）とし、ｒ_ｍ（１）の値を、反射鏡により反射されたレーザ光がレーザ光センサと反射鏡との間を通り、かつ、対象物によって反射されたレーザ光がレーザ光センサに入射し得るように設定する。

また、前述した傾きα_ｍ（１）の値は、反射点におけるレーザ光のＸ_ｍ−Ｙ_ｍ平面での反射角度β_ｍとＸ_ｍ−Ｚ_ｍ平面での反射角度δ_ｍを合わせた値が略一定になるように設定する。一方、レーザ光の本数ｎは、３６０°の走査範囲についてレーザ光センサの使用を参照して設定する。更に、反射鏡の鏡面のθ_ｍ方向の範囲は、当該鏡面により反射されるレーザ光が他の反射鏡の鏡面に干渉しない範囲に設定する。また、鏡面の高さｈ_ｍの値は、レーザ光センサの受光窓の高さ寸法とする。

次に、図１に示した制御部１が対象物の位置を求める方法について説明する。
対象物の位置は、レーザ光が反射鏡によって反射される場合と、反射鏡によって反射されずに対象物に直接投光された場合とに分けて計算する。

いま、レーザ光が２枚の反射鏡によって反射される範囲を０°≦θ_ｌｉ−θ_ｔ＜６０°及び１８０°≦θ_ｌｉ−θ_ｔ＜２４０°とし、図５に示した如く反射鏡によって反射されるレーザ光の、反射される前の光路ＬとＸ軸とのなす角をθ_ｌｉとすると次式が導かれる。
θ_ｌｒ＝θ_ｌｉ＋１８０°−β_ｍ …（１７）
但し、θ_ｌｒ：反射鏡によって反射されるレーザ光の、反射された後の光路とＸ_ｍ軸とのなす角

また、レーザ光センサにおいて反射鏡にてレーザ光を反射することによって生じる測定距離の誤差をｅ_ｍとすると、Ｘ−Ｙ−Ｚ座標軸系において、走査されたレーザ光が対象物によって反射される各反射点の座標（ｘ，ｙ，ｚ）は次の（１８）式〜（２０）式にて表される。なお、前述した誤差ｅ_ｍは各実機それぞれにおいて試験を実施して予め定めておく。
ｘ＝ｒ_ｍｃｏｓθ_ｌｉ＋（ｄ_ｌ−ｒ_ｍ−ｅ_ｍ）ｃｏｓθ_ｌｒ …（１８）
ｙ＝ｒ_ｍｓｉｎθ_ｌｉ＋（ｄ_ｌ−ｒ_ｍ−ｅ_ｍ）ｓｉｎθ_ｌｒ …（１９）
ｚ＝（ｄ_ｌ−ｒ_ｍ−ｅ_ｍ）ｓｉｎδ_ｍ …（２０）

ここで、図５に示した如く、ｄ_ｌはレーザ光の光源から対象物までの距離を、またθ_ｔはレーザ光センサ９の固定座標系のＺ軸回りに当該固定座標系のＸ軸から、回転板８及び反射鏡８３，８３の回転座標系のＸ_ｍ軸までの角度をそれぞれ示している。

一方、上記の場合、レーザ光が反射鏡によって反射されない範囲は６０°≦θ_ｌｉ−θ_ｔ＜１８０°及び２４０°≦θ_ｌｉ−θ_ｔ＜３６０°であるので、かかる範囲においてレーザ光が対象物によって反射される反射点の座標（ｘ，ｙ，ｚ）は次の（２１）式〜（２３）式にて表される。
ｘ＝ｄ_ｌｃｏｓθ_ｌｉ …（２１）
ｙ＝ｄ_ｌｓｉｎθ_ｌｉ …（２２）
ｚ＝０ …（２３）

このようにして、走査されたレーザ光が反射鏡によって反射される範囲、及び前記レーザ光が反射鏡によって反射されずに対象物に直接投光される範囲においてそれぞれ、前記レーザ光が対象物によって反射される各反射点の座標（ｘ，ｙ，ｚ）が求められる。

図１に示した制御部１は、このような計算をレーザ光センサ９によってレーザ光が走査される毎に実施しており、得られた各反射点の座標を各走査別にメモリ（図示せず）に与えてそこに記憶させるとともに、出力する場合も各走査別に各反射点の座標を出力するようになっている。

このような測定装置にあっては、反射鏡８３，８３上を走査された測定光は、該反射鏡８３，８３の鏡面によって連続的に螺旋状に反射される。従って、高密度の三次元測定を行うことができる。また、反射鏡８３，８３の鏡面は、Ｘ−Ｙ平面において、走査されたレーザ光をそれぞれ反射した各レーザ光の光路が、前述した基準円Ｃの接線上に位置するように傾かせてあるため、反射鏡８３，８３の鏡面で反射された各レーザ光はレーザ光センサ９に干渉されることなくレーザ光センサ９の外方へ放射状に出射される。従って、高密度の三次元測定を維持することができる。

更に、反射鏡８３，８３の鏡面が滑らかに傾かせてあるため、レーザ光センサ９から出射されたレーザ光の直径よりレーザ光センサ９に入射されるレーザ光の直径が大きい場合であっても、全ての光をレーザ光センサ９に入射させることができる。従って、測定感度の低下を防止することができる。

一方、回転板８に複数（本実施形態では２つ）の反射鏡８３，８３が回転対称になるように取り付けてあり、これによって回転板８のバランスが図られる。従って、回転時に回転板８にガタが生じることが防止される。

なお、本実施形態では２枚の反射鏡８３，８３を用いた場合について示したが、本発明はこれに限らず１又は３枚以上の反射鏡を用いてもよい。なお、複数枚の反射鏡を用いる場合は、各反射鏡を回転板上に均等に配設する。一方、１枚の反射鏡を用いる場合は、回転対称の位置にバランスを保つための錘を配設するとよい。これによって、回転板８の駆動中、当該回転板８にガタが発生することが防止される。

また、本実施形態では反射鏡８３，８３を回転板８に取り付けて、モータ４によって回転板８及び反射鏡８３，８３を回転させる構成になしてあるが、本発明はこれに限らず、反射鏡８３，８３の固定脚８４，８４及び支持部材３１，３１を基台２に固定して、回転板８、モータ４及びベルト６等、反射鏡８３，８３を回転駆動させる機構を省略してもよい。この場合、三次元データを取得する位置を増大させるために、３枚以上の反射鏡を用いるとよい。なお、反射鏡は基台２に固定されておりガタが発生する虞がないので、１又は複数枚の反射鏡を用いる場合に各々の反射鏡を任意の位置に配置することができる。

一方、本実施形態では、モータ４の回転駆動力を第２回転軸４１に外嵌させたプーリ４２と第１回転軸８１の端部に外嵌させたプーリ８２との間に掛け回した環状のベルト６を介して第１回転軸８１に伝えるようになしてあるが、本発明はこれに限らず、モータ４の出力軸を第１回転軸８１に接続させて、モータ４によって回転板８を直接回転駆動させる構成にしてもよい。

なお、本実施形態では測定光としてレーザ光を用いた場合について示したが、本発明はこれに限らず、レーザ光と同程度の強度及び直進性を有する光であればよい。

次に、レーザ光センサとして市販のセンサを用いて、対象物を測定した結果について説明する。

測定装置は図１に示した構成とし、レーザ光センサ９として側域センサＵＴＭ−３０ＬＸ（北陽電機株式会社製）をその走査周期を１０ｍ秒になして使用した。また、回転板８の回転周期は３０ｍ秒になした。

反射鏡は次の表１に示したパラメータのものを２枚用いた。

そして、レーザ光センサ９から５０００ｍｍの距離を隔てて、レーザ光センサ９の周囲を取り囲むように対象物を設置しておき、レーザ光センサ９による１回の走査で測定された対象物上の各反射点の位置をＸ−Ｙ−Ｚ座標軸上に示した。なお、誤差ｅ_ｍは零とした。

図６は１回の走査で測定された対象物上の各反射点の位置を示したグラフである。
図６から明らかなように、両反射鏡で反射されたレーザ光の対象物上における各反射点は、Ｚ軸と平行をなす軸廻りに螺旋をなす２本の光路上に配列されており、これによって三次元空間を高密度で測定し得ることが分かる。

一方、両反射鏡で反射されなかったレーザ光の対象物上における各反射点は、Ｘ−Ｙ平面と平行な平面で一部破断した環をなす１本の光路上に配列されており、これによって二次元空間も同時的に測定することが分かる。

１ 制御部
２ 基台
３ 台座部材
４ モータ
８ 回転板
９ レーザ光センサ
４１ 第２回転軸
８１ 第１回転軸
８３ 反射鏡
Ｃ 基準円

Claims (6)

1. 所定の回転軸廻りに測定光を走査させ、対象物からの反射光が入射されるセンサと、該センサからの測定光を反射する反射鏡とを備え、該反射鏡で反射された測定光が対象物で反射されてセンサに入射された結果に基づいて測定を行うようになしてある場合、
   １又は複数の前記反射鏡がセンサの周囲に配設してあり、
   該反射鏡の鏡面は走査方向の異なる位置では互いに、回転軸廻りに走査される複数の測定光の光路で構成される平面に平行な第１平面における前記測定光の反射方向、及び前記第１平面に直交する他の平面に平行な第２平面における前記測定光の反射方向が異なるように傾かせてある
   ことを特徴とする測定装置。
2. 前記鏡面は前記第１平面において、走査された測定光をそれぞれ反射した各反射光の光路が、前記回転軸を中心として設定した基準円の接線上に位置するように傾かせてある請求項１記載の測定装置。
3. 前記鏡面の傾きは次の両式に基づいて定めてある請求項２記載の測定装置。
   α_ｍ（ｋ）＝４５°＋（θ_ｍｃ＋θ_ｍ（ｋ））／２
   γ_ｍ（ｋ）＝θ_ｍ（ｋ）／ｎ
   但し、α_ｍ（ｋ）：ｋ番目の反射点における鏡面のＸ_ｍ軸に対する傾き
   γ_ｍ（ｋ）：ｋ番目の反射点における鏡面のＺ_ｍ軸に対する傾き
   θ_ｍｃ ：各反射光の光路の基準円に対する接点のＺ_ｍ軸回りのＸ_ｍ軸からの角度
   θ_ｍ（ｋ）：ｋ番目の測定光のＺ_ｍ軸回りのＸ_ｍ軸からの角度
   ｎ ：適宜の数
4. 前記鏡面は滑らかに傾かせてある請求項１から３のいずれかに記載の測定装置。
5. 更に、前記回転軸と同心円上で回転する回転板と、該回転板を回転駆動させるモータとを備え、この回転板に前記反射鏡が取り付けてある請求項１から４のいずれかに記載の測定装置。
6. 前記回転板に複数の反射鏡が回転対称になるように取り付けてある請求項５記載の測定装置。
   

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